浅埋隧道施工中大管棚超前支护技术的应用

畅 凯

(山西路桥第五工程有限公司，山西 太原 030000)

隧道大管棚超前支护形式在隧道洞口段及浅埋洞身段较为常用，该支护技术能增强较浅隧道覆盖层结构强度，保证顺利掘进。此技术支护原理主要在于按照设计间距和角度将钢管打入隧道洞顶轮廓线外环向，其中钢管主要发挥纵向支撑作用，钢拱架则主要起到横向环形支撑的作用。再结合钢管内压力注浆的方式将破碎岩石、钢管、钢拱架等材料、结构固结为大钢度结构体，最终达到抑制围岩变形、抵挡围岩压力并提高结构自稳能力等目的，为隧道顺利开挖掘进施工提供安全保证。

1 工程概况

H隧道工程中心里程DK150+500，起讫桩号DK150+500～DK152+560，长度为2.06 km，隧道全线均为9.8‰的向上坡度，进口段位于R=1 200 m的曲线段，其余段均为直线段。DK150+490～+515段埋深5.2～10.8 m，属于浅埋段，岩体较为堆积且围岩松散，富水条件较好，力学性能差，掘进过程中发生坍塌冒顶事故的可能性非常大，掘进施工难度系数高。

2 施工方案

考虑到该隧道浅埋段地质条件不良，安全施工风险大，必须采取有效的超前支护方式控制开挖围岩沉降变形，避免围岩坍塌。项目组结合工程地质情况及现有施工技术水平，经多次论证后最终确定采用拱部大管棚+全环格栅钢架+压力注浆的支护措施。格栅钢架按照1.5 m的纵向间距布设，25 m长的大管棚设置在格栅钢架拱部，管棚钢管采用壁厚6 mm的φ89 mm钢管；每环25根，且设计环向间距40 cm。为保证接头错开，管棚钢管按照6 m和3 m两种长度设计，管段及管节间连接采用套管丝扣，以达到设计强度和垂直度。按设计间距和孔径在钢管壁面开设注浆孔。为起到二次加强的作用，钢管内增设钢筋笼，其主筋采用3根φ16 mm螺纹钢，并将壁厚4 mm、长4 cm的φ45 mm钢环与主筋焊接。为提升大管棚钻孔施工精度，还应施做径向厚度与纵向长度均为1 m的导向墙，墙内埋设1.5 m长、5 mm厚的φ108 mm导向钢管，其埋入围岩及导向墙内的深度分别控制在50 cm和100 cm。

3 大管棚超前支护施工

为确保顺利施工，应采取锚网喷联合支护措施进行刷坡后堆积土处理，支护材料主要为长4 m的φ22砂浆锚杆，并按1.5 m×1.5 m间距呈梅花形设置；喷射10 cm厚、强度等级C20的混凝土；按照25 cm×25 cm间距在坡面满铺φ8 mm规格的钢筋网。

3.1 导向墙施工

按照施工方案进行线路中线水平测量，并将中心线和导向墙开挖轮廓线标出。为避免造成较大扰动，应以人工和风镐配合的方式开挖，在围岩掘进至与导向墙相距8 m的情况下预留核心土开挖。结合管棚支护施工要求，应按照1.5 m的深度确定DK150+465～490段拱部开挖轮廓，为导向墙浇筑提供钻进施工工作面。管棚施工过程中因扩挖而形成的空洞必须通过与衬砌施工相同强度等级的C35混凝土回填。还应将2道2榀格栅钢架按照0.5 m间距设置在导向墙内，并保证钢架下端地层的稳定性，以增强导向墙结构刚度。格栅钢架之间还应按照1.0 m间距增设Φ20 mm纵向环向连接钢筋，并与钢架牢固焊接。超深开挖拱脚的过程中，必须增设混凝土垫块或钢板。

完成格栅钢架架设后进行导向管埋设施工，导向管为1.5 m长、壁厚5 mm、φ108 mm的无缝钢管，导向管设置的环向间距必须与管棚间距保持一致，设计埋深为围岩内50 cm、导向墙内100 cm；导向管轴线应和隧道轴线保持1.5°夹角，导向管轴线和开挖轮廓线的距离为25 cm。为避免混凝土灌注过程中导向管出现移位和偏斜，必须将Ф16 mm钢筋焊接在格栅钢架之上，以起到封堵导向管、防止混凝土砂浆进入的作用。

导向墙模板采用4 cm厚度的模板，并通过加背撑的方式结合扒钉和钢钉加固连接。混凝土由拌合站集中拌和并由罐车运输供应，浇筑时从拱脚两侧开始按次序对称浇筑，直到拱顶。待混凝土浇筑结束、按要求养生及强度达到设计要求后将模板拆除。

3.2 钻孔

结合设计进行孔位编号，应用KQL型钻机和直径108 mm的钻头从高孔位向低孔位的次序依次钻孔，为保证钢管安装过程的顺利进行，应先安装奇数孔后安装偶数孔。钻机施工平台搭设前必须根据所承载机具、施工材料和人员重量等进行载荷试验，保证稳定牢固连接，避免施钻过程中发生摆动、不均匀沉降、位移等事故，影响钻孔及钢管安装质量。

钻机就位的过程中必须综合使用挂线、全站仪、钻杆导向相结合的技术加强调整，保证钻机钻杆轴线始终与导向轴线相一致。在钻进施工开始后，应先以低速低压方式钻进，等成孔距离在10 m以上后再根据钻孔出屑及取芯情况所反映的实际地质条件进行钻速和钻压调整；钻进期间必须加强钻孔孔位及钻速等的测定，严格纠正超限误差，并结合钻进状态进行成孔质量的预判。成孔后必须立即清孔、下管，避免发生塌孔、孔内落入杂物等情况的发生。

3.3 管棚加工

长管棚选用前端锥形、尾部加焊Φ10 mm加劲箍筋的壁厚6 mm、直径89 mm的热轧无缝钢管，为使接头错开，长度按3 m和6 m两种设置，并通过20 cm长度的连接套管丝扣牢固连接。按设计要求进行无缝钢管外壁注浆花纹加工，加工好后按照15 cm间距4个一排按梅花形设置，钢管尾部留出2.0 m长度不钻孔。3 m长管棚钢管加工情况详见图1。

图1 3 m长管棚钢管加工示意图

3.4 钢筋笼制安

进行管棚安装前必须通过高压风将孔内杂物彻底清除，并再次测量孔径和孔深，保证孔径为108 mm。通过机械顶进方式安装管棚并逐节接长处理，节段之间通过连接套管以丝扣方式扣紧。采用3根Φ16 mm螺纹钢以搭接方式制作主钢筋笼，搭接长度控制在16～18 cm范围内，固定环为壁厚4 mm的Φ45 mm钢环，按照150 cm间距和主钢筋笼焊接。安装示意详见图2。

图2 主钢筋笼安装示意图

安装钢管前逐孔逐根编号，编号为奇数和偶数的首节管段应分别采用长3 m和长6 m的钢管，此后各节均采用长6 m的钢管，以便错开邻管接头。主钢筋笼的吊装和管棚钢管安装均通过挖掘机进行。将1节长度1 m的Φ108 mm×6 mm钢管套接在钢管尾部以起到保护作用，顶进钢管至钢管前部外露段长度剩余20 cm时将保护套管取下，同时吊接长钢管就位，再以焊接方式接长主钢筋笼，并通过20 cm长的套管丝扣将两段管节相连，重复以上过程，直至完成顶进施工。

3.5 注浆

正式注浆前应通过湿喷C25混凝土的方式将开挖面封闭并形成止浆墙，再在钢管口处加焊钢板封堵，预留注浆管。注浆结束后应用速干水泥砂浆将导向管和管棚间的空隙封堵。本隧道管棚超前支护施工采用卧式搅拌机进行水泥浆拌和，配合以两台BW-250/50型注浆泵进行注浆施工，浆液水灰比控制在0.6～1.0之间。注浆开始前必须通过室内试验及现场试验验证浆液配比、注浆压力等参数设置的合理性，考虑到该浅埋隧道实际地质条件，在确定浆液配比时必须充分考虑浆液扩散半径及围岩裂隙发育情况；注浆压力确定时应结合岩层性质、注浆材料及地下水情况，本隧道初始注浆压力和终压分别按照0.8～1.0 MPa和1.5～2.0 MPa控制。按照从低位孔到高位孔的次序逐孔注浆，且浆液应先稀后浓、浆液量应先大后小。

待注浆施工至和导向管间的空隙持续有水泥浆液溢出时停止注浆，并待注浆压力达到终压且持续20 min以上时结束注浆，效果图见图4。

图4 注浆效果

4 结 论

综上所述，H隧道浅埋段在采用大管棚超前支护技术后松散土体固结效果良好，通过大管棚围岩支护施工，使注浆体和管棚有效粘结并形成大刚度稳固性整体受力结构，且在开挖轮廓线外侧形成环向支撑体，可有效承载围岩结构压力，阻止松散结构坍塌，为隧道开挖掘进施工的顺利进行提供了保证。大管棚超前支护技术在浅埋隧道施工中的成功应用是新奥法与其余施工措施的完美结合，对于类似隧道工程开挖掘进施工具有很强的借鉴参考价值。